自動覆膜控溫移動苗床的設計

摘要：根據移動苗床的結構特點，設計了自動卷覆膜機，實現了塑料薄膜的自動卷收和覆蓋，搭建了自動控溫系統，建立苗床及作物的獨立加熱保溫小環境。薯尖扦插苗的試驗結果表明，降低了勞動強度，育苗成活率提高29%，單株苗加熱成本降低69%以上。試驗為工廠化育苗柔性化生產提供了技術支撐，可實現不同種苗培育在同一溫室內的統一管理。

關鍵詞：自動覆膜；控溫；移動苗床；柔性生產

中圖分類號：S625.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）13-3475-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.13.053

隨著中國現代化農業的快速發展，溫室作為設施農業產業中的主體，在生產中起著非常重要的作用[1]。在冬季、早春等低溫時節，為了保證溫室移動苗床上作物生長所需的環境溫度，常利用溫室加熱系統對整個溫室內環境進行加溫[2]，同時搭蓋塑料薄膜來增加苗床的蓄熱保溫能力。但是存在一些不足之處：一是溫室采用整體式加熱系統，即對溫室內的空氣、地面、墻壁、屋架、覆蓋材料等整個大環境進行加熱，能耗大、運行成本高[3，4]；二是苗床上塑料薄膜的覆蓋、揭開過程依靠人工完成，工作量大且易損傷幼苗；三是溫室大環境溫度只能滿足一種作物育苗溫度條件，造成空間、能源浪費。

為此，本研究提出了構建基于移動苗床的溫室“小環境”解決方案——自動覆膜控溫移動苗床，即通過研發移動苗床拱棚裝置、加熱隔熱系統，建立苗床及作物的獨立加熱保溫小環境，降低勞動強度、提高作業效率、實現節能降耗。自動覆膜控溫移動苗床作為工廠化育苗過程中的新型裝備，為工廠化育苗柔性化生產提供了便利，可針對不同種苗的農藝要求在同一溫室內實現集群管理。

1 自動覆膜控溫移動苗床的總體設計方案

自動覆膜控溫移動苗床自動卷覆膜機的總體結構如圖1所示。

塑料薄膜安裝示意圖見圖2。從圖2可以看出，自動覆膜機卷管安裝在靠近支架頂端的一側，雙層塑料薄膜的一端通過透明膠帶固定在卷管軸線上。纏繞數圈后分別向支架兩側引出左、右單層薄膜，牽引桿用壓膜卡固定在左、右單層薄膜末端，牽引桿兩端安裝滾輪，牽引著塑料薄膜沿著支架斜面上下滾動。

屋脊型支架棚肩的內側安裝與卷管軸線平行的導向桿，對完全覆蓋的塑料薄膜起到張緊作用，使塑料薄膜覆蓋面與支架構形一致。

管狀電機安裝在苗床端部卷管空腔中，固定好卷管和管狀電機輸出軸，每段卷管通過傳動軸連接，使所有卷管同步轉動，通過控制電機正反轉動方向，實現薄膜的卷收和覆蓋，電機行程可以調整，保證卷收薄膜后與空氣接觸面盡可能大，覆蓋薄膜后完全密封。

2 自動覆膜控溫移動苗床主要零部件設計

2.1 支架結構設計

支架由鍍鋅薄鋼板折彎而成，寬度與移動苗床的內寬一致，呈屋脊形結構，以利于塑料薄膜內面的凝聚水珠沿膜面向兩側滑落，避免露滴久留或滴落[5]。支架左右兩側的棚肩用于保證作物生長所需的空間高度。

相對于其材料尺寸而言，支架屬于大跨度柔性結構，因此在設計校核時需重點進行結構剛度分析。以16 m×1.75 m的苗床為例，確定支架的間隔距離為4 050 mm，末端間隔3 580 mm，數量為5個，支架的寬度為1 680 mm，深度140 mm，脊高716 mm，肩高分別為220 mm和240 mm，在Ansys中建立三維模型[5]，設定Shell 63單元實常數即支架板厚為1.5 mm，如表1、圖3至圖6所示，加筋支架最大變形量和最大應力均小于未加筋支架，為保證自動覆膜機穩定運行，優先選擇加筋支架。

2.2 牽引桿校核

牽引桿是自動卷覆膜機的重要組成部分，其對薄膜起到牽引、張緊作用。為保證在潮濕環境下牽引桿能順利下滑，避免過重造成塑料薄膜的破損或者蠕變，采用了鋼制牽引桿，其截面為圓環形，直徑22 mm，壁厚1.2 mm，每段4 m。

在Ansys中建立三維模型，選擇Shell 63單元類型，設置Q235材料屬性，采用映射網格劃分得到有限元模型[6]。約束兩端面的Y向位移自由度，忽略牽引桿上塑料薄膜的重量，加載重力場后求解，計算得到牽引桿的最大變形量為6.5 mm，小于支架頂面與導向桿間的設計間隙，即覆收薄膜時牽引桿可以順利越過支架的棚肩處，其結構剛度可滿足設計要求。牽引桿X向變形圖見圖7。

3 自動覆膜控溫移動苗床溫控系統設計

3.1 儀器和材料

溫控器采用鑫動8802系列（明裝）旋鈕電子式，型號為8802/16WD，額定電壓220 V，頻率50 Hz，額定電流16 A，額定功率3 kW，溫控容差 ±0.7 ℃，溫控范圍10～60 ℃，溫度傳感器采用外置式。

電熱膜為韓國考利亞遠紅外線電熱膜，功率密度220 W/m2，最高加熱溫度可達50 ℃。交流接觸器型號為CJ-40，適應電壓220 V、電流20 A。

3.2 電熱膜的制作、鋪設和溫控器的安裝

以試驗所用苗床為例，裁剪4塊7.5 m×0.8 m規格的電熱膜，安裝純銅卡子并固定，然后接2.5平方國標電源線，用膠泥和布基膠帶分別做兩次防水處理。溫控器設置在苗床兩端。電熱膜、交流接觸器和溫控器接線原理如圖8所示[7]。

苗床墊層共分為5層，從下至上安裝過程如圖9。首先鋪設厚30 mm的棉墊，并粘貼一面附有錫箔紙的保溫材料，作為隔熱反射層，隔絕內外熱交換，隨后鋪設遠紅外線電熱膜，其上覆蓋防水塑料薄膜，最后鋪設無紡布壓實。隔熱層接口與電熱膜均用錫箔膠帶固定。

4 能耗試驗及分析

4.1 材料與方法

試驗育苗容器選用70孔綠色軟塑料穴盤，育苗基質為90%泥炭與10%珍珠巖混合物[8]，試驗農作物為江城薯尖扦插苗，種苗數量為9 660株。

首先用粉碎機粉碎基質，提前1 d噴水備用，對場地進行整理消毒，育苗基質中加入殺菌劑[9]，混合均勻，再淋水調節水分含量，直到手輕握成團手指間有滴水，最后將混合好的基質裝入育苗穴盤中，用木板刮平。

試驗方法：將裝好營養基質的穴盤準備好后扦插薯尖扦插苗，并整體移至苗床上，設置育苗棚內加熱溫度在20 ℃左右，蓋膜保溫，每天10：00澆水、施肥、施藥等操作，4 d后每天10：00～11：00對育苗棚進行適當通風降溫，防幼苗徒長，促根莖長壯[10]。

4.2 結果與分析

試驗于2014年1～2月進行，共兩批，試驗期間每日環境最高溫度、最低溫度、苗床設定溫度與耗電量的變化曲線如圖10和圖11所示，基本信息如表2所示。

湖北省維爾福種苗有限公司目前育苗成活率在70%左右，單株苗加熱成本為0.15元，本設計的育苗成活率為99%，較維爾福種苗有限公司的育苗成活率提高29%，電費按0.8元/kW·h計算，第一、二批試驗折合單株苗加熱成本分別為0.042、0.046元，單株苗加熱成本降低69%以上。

5 小結

本研究提出了構建基于移動苗床的溫室“小環境”解決方案。根據育苗作業的實際需求，結合移動苗床的結構特點，設計了自動卷覆膜機、自動控溫系統，建立苗床及作物的獨立加熱保溫小環境，與湖北省維爾福種苗有限公司相比育苗成活率可提高29%，單株苗加熱成本降低69%以上，可有效提高作業效率，實現節能降耗，具有較高的經濟效益和推廣價值。

參考文獻：

[1] 戴有華，陳志明，劉永華，等.基于Solidworks的移動苗床架設計與應用[J].中國農機化，2011（6）：91-94.

[2] 李寶筏.農業機械學[M].北京：中國農業出版社，2003.

[3] 馬 丹，須 輝，韓亞東，等.日光溫室專用燃煤熱風爐加溫效果分析[J].農業工程技術（溫室園藝），2007（5）：13-14.

[4] 孫淑鈞.溫室加溫系統及存在問題[J].中國花卉園藝，2012（4）：48-49.

[5] 王雙喜.設施農業裝備[M].北京：中國農業大學出版社，2010.

[6] 博弈創作室.ANSYS9.0經典產品基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[7] 鞏星花，成筱琴.遠紅外線低溫輻射電熱膜地暖施工控制[J].山西建筑，2011，37（12）：137.

[8] 崔秀敏，王秀峰.蔬菜育苗基質及其研究進展[J].天津農業科學，2001，7（1）：37-42.

[9] 郝瑞敏.北方溫室大棚冬春茬番茄栽培技術[J].上海蔬菜，2009（2）：30-31.

[10]束海剛，尹元拴，王美麗，等.網棚扦插育苗繁殖馬鈴薯脫毒微型種薯技術[J].種子科技，2013，21（2）：114-115.